基于SPI和SPEI指数的辽宁省大豆生长季干旱时空变化特征.pdf
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1、第39 卷第4期2023 年8 月姜珊,张淑杰,张菁,等.基于SPI和SPEI指数的辽宁省大豆生长季干旱时空变化特征J.气象与环境学报,2 0 2 3,39(4):130-137.JIANG Shan,ZHANG Shujie,ZHANG Jing,et al.Temporal and spatial characteristics of drought during soybean growing season inLiaoning province based on SPI and SPEI J.Journal of Meteorology and Environment,2023,39(
2、4):130-137.气象与环境学报JOURNAL OF METEOROLOGY AND ENVIRONMENT基于SPI和 SPEI指数的辽宁省大豆生长季干旱时空变化特征Vol.39 No.4August 2023姜珊1,2张淑杰?张菁1董秋婷3宋晓巍赵璇1于璐1杨黎黎1(1.沈阳市气象局,辽宁沈阳110 18 6;2.中国气象局沈阳大气环境研究所/辽宁省农业气象灾害重点实验室,辽宁沈阳110 16 6;3.沈阳市浑南区气象局,辽宁沈阳110 18 6)摘要:选用19 6 12 0 2 0 年辽宁省5 2 个气象站的日降水量和日平均气温资料,计算大豆生长季和各发育阶段的标准化降水指数(SPI
3、)和标准化降水蒸散指数(SPEI),选取5 个代表站,应用M-K趋势检验方法分析大豆不同时间尺度的干旱时空变化。结果表明:大豆生长季SPI和SPEI均呈干旱化趋势,SPEI监测的千旱程度略大于SPI;大豆播种期一出苗期SPEI和SPI呈湿润化趋势,出苗期一开花期、开花期一结英期和结英期一成熟期均为干旱化趋势,其中开花期一结英期最为显著。SPEI监测的干旱范围及高发区均大于SPI,且干旱程度更强,其中,辽宁西部的干旱程度最为严重。从大豆生长季和发育阶段进行干旱评估,SPEI适用性优于SPI。关键词:日降水量;日平均气温;干旱评估中图分类号:P468/S565.1引言辽宁省位于中国东北地区大豆产区
4、的南部,该地区积温较高,且降水、光照、热量等气候资源丰富,是大豆生产潜力较大的区域,自实施大豆振兴计划以来,辽宁省大豆种植面积持续增加。在全球气候变暖的背景下,干旱事件已经成为制约农业发展的因素之一。因此,干旱事件监测和评估的准确性,对农业生产尤为重要2 以干旱指数评估干旱程度3,已经成为干旱监测中常用的方法。目前,国内外用于监测干旱的方法有干燥度指数4、标准化降水指数(SPI)5 、综合气象干旱指数(CI)6、标准化降水蒸散指数(SPEI)7 等。其中SPI 因所需变量少、计算简单而普遍应用于监测不同时间尺度的干旱发生情况,但干旱产生是综合的水分失衡现象,SPI指数仅以降水量为变量,未考虑温
5、度、蒸散量等因素影响8 。因此,VicenteSe r r a n 等7 在2 0 10 年开发了标准化降水蒸散指数SPEI,该指数利用模型计算潜在蒸散量,既考虑了温度对干旱的影响,又保留了 SPI 的多时间尺度特点,在干旱监测中得到广泛应用。Dukat 等9 应用SPEI和SPI评估19 5 12 0 15 年中纬度欧洲干收稿日期:2 0 2 3-0 3-0 9;修订日期:2 0 2 3-0 4-2 0。资助项目:中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(2 0 2 0 SYIAEHZ1)资助。作者简介:姜珊,女,19 8 6 年生,工程师,主要从事农业气象研究。E-mail:jiangsha
6、n-。通信作者:张淑杰,女,正高级工程师,E-mail:zhangshujie_。文献标识码:Adoi:10.3969/j.issn.1673-503X.2023.04.016等10 研究表明,相比SPI,SPEI监测出的极端干旱事件程度更高,表明温度在干旱评估中的重要性。近年来,中国学者比较分析SPEI和SPI在不同尺度上的干旱监测适用性表明,空间上,两种指数在中国东北1-15 、西北16-19 、华北2 0-2 2 和华南2 3-2 5 等大部分地区均具有较好的适用性,SPEI指数敏感度更高,更易识别旱涝事件2 3-2 4,评估旱涝方面的适用性更好119 。时间上,现有研究成果主要集中在月
7、、季、年尺度上两种指数的适用性探讨16-18.2 0-2 1,而作物生长过程中形态和结构不断变化,抵御干旱的能力存在较大差异;另外,不同时间尺度的干旱对作物的影响也不同2 6-2 8 ,目前针对作物生育期和各发育阶段尺度的研究仍较少。当前国内外SPI和SPEI在干旱监测中的研究和应用情况表明,两种指数具有较广泛的适用性,其中,年、季节及月时间尺度上的干旱监测应用较多,但未结合作物生长发育过程,即应用干旱指数量化干旱对作物生长发育的影响程度。因此,有必要针对特定作物及其生长发育阶段开展相关研究,进一步验证SPI和SPEI两种干旱指数在辽宁省大豆干旱旱发生的严重程度和变化趋势表明,欧洲出现干旱的严
8、重程度、频率和时间长度均在增加。Qaisrani第4期监测中的适用性。选用19 6 1一2 0 2 0 年辽宁省5 2 个气象站点的日降水量和平均温度数据,基于SPI和SPEI在大豆生长季和各发育阶段进行干旱特征分析,结合19 9 0 2 0 2 0 年中国气象灾害年鉴(中国气象局北京:气象出版社)、气象灾害大典一辽宁卷2 9 对比同期干旱事件,探讨辽宁省大豆生长季和各发育阶段两种干旱指数的适用性,以期为该地区大豆干旱监测提供参考,为该地区大豆种植、干旱评估、防灾减灾等提供依据。1资料与方法1.1 研究区域辽宁省位于中国东北地区南部,属于温带季风气候,降水量分布不均,东部湿润,西部干燥。辽宁省
9、全年平均气温为7 11;不同地区年平均降水量为441 10 8 5 mm,整体由西向东呈逐渐增大趋势。辽宁东部山区降水量最大,年均降水量为900mm以上;西北部丘陵年降水量为5 0 0 mm以下,是辽宁省降水最少的区域;中部平原及南部沿海地区降水量居中,年均降水量为5 0 0 9 0 0 mm。作为中国东北地区大豆主产区之一,2 0 2 1年辽宁省大豆种植面积为1.0 39 10 hm,其中沈阳市、大连市、阜新市等地种植面积占全省的6 0%。研究区域站点分布见图1。43N41N39N119E图1辽宁省气象站点分布Fig.1 Distribution of meteorological stat
10、ionsin Liaoning province1.2楼数据来源选用气象数据为辽宁省19 6 1一2 0 2 0 年5 2 个气象站点连续完整的逐日降水量、逐日平均气温资料,以及19 8 12 0 2 0 年10 个农业气象观测站大豆生育期数据,所有资料来源于辽宁省气象信息中心。1.3大豆生育期大豆整个生育期需水量约为40 0 mm,但各发育阶段需水量差异较大。播种期一出苗期需水量占总需水量的5%,该阶段水分供应不足,种子易丧失生根能力。出苗期一开花期需水量约占2 0%。开花期一结荚期需水量最大,约占总需水量的5 0%,该阶姜珊等:基于SPI和SPEI指数的辽宁省大豆生长季干旱时空变化特征干旱
11、类别干旱指数范围湿润类别铁岭卓新沈阳抚顺.朝阳锦州盘锦葫芦营口山丹东.大连气象站点121E123E131段是大豆需水关键期,蒸腾作用达到最大;结荚期一成熟期需水量约占2 0%,此时干旱缺水会增加秕粒、秕荚数量,降低百粒重。因此,本文将大豆生育期分为四个发育阶段,即播种期一出苗期、出苗期一开花期、开花期一结荚期、结荚期一成熟期。19 8 1一2020年大豆生育期按照气候相似区域逐年对全省站点进行插值计算,19 6 119 8 0 年按照19 8 12 0 2 0 年平均生育期对全省站点进行插值计算。1.4干旱指数计算标准化降水指数(Standardized Precipitation In-de
12、x,SPI)通过T分布概率表示降水量的变化,应用正态标准化处理得到SPI值。标准化降水蒸散指数(Standardized Precipitation Evapotranspiration Index,SPEI)以降水量和平均气温为输人变量,基于潜在蒸散量和降水量之差进行正态标准化处理得到SPEI值,本文选用Thornthwaite方法计算潜在蒸散量,具体计算公式见文献30-31。采用气候倾向率和Mann-Kendall 检验法31 分析两个指数的变化趋势。使用ArcGIS10.7运用反距离权重方法对指数数据进行空间插值。以上述大豆各发育阶段起止时间为时间尺度,分析辽宁省大豆不同发育阶段对应的S
13、PI和SPEI值,并根据表1的标准进行干旱等级分类。表1干旱等级划分Table 1(Classification of drought grades干旱指数范围0.00 -0.50辽阳。本溪鞍山125E正常-0.51 1.00轻度干旱0.51 1.00-1.01 -1.50中度干旱1.01 1.50-1.51 -2.00重度干旱1.51 2.00-2.01 以下极度干旱1.5干旱频率计算干旱频率计算公式为n;P;=100%(N)式(1)中,n;为i站出现干旱的次数;N为总年数。2结果分析2.1辽宁省气候变化特征1961一2 0 2 0 年辽宁省年降水量和年平均气温变化见图2。由图2 可知,19
14、 6 12 0 2 0 年辽宁省年平均降水量为5 0 5.6 mm,20世纪8 0 年代中期、9 0 年代中期及2 1世纪初期,辽宁省降水量偏大,2 0 10 年达到峰值,之后呈明显的波动趋势。近6 0 a辽宁省年降水量整体呈递减趋势,递减速率为0.9 0 9 mma=1,其0.00 0.502.01 以上正常轻度湿润中度湿润重度湿润极度湿润(1)132统计量Z值为-1.18,未通过显著性检验,即辽宁省年降水量变化为不显著的递减趋势。近6 0 a辽宁省年平均气温为2 1.2,从2 1世纪开始明显增温,增温速率为0.0 18 a-,统计量Z值为4.2 9,通过置信度为9 9%的显著性检验,表明近
15、6 0 a辽宁省的年平均气温显著升高的趋势。800y=-0.9092x+533.32R=0.02426004002001961 1966 1971 1976 1981 1986 1991 1996 2001 2006 2011 2016图2 19 6 12 0 2 0 年辽宁省年降水量和年平均气温变化Fig.2Variation of annual precipitation and annual averagetemperature in Liaoning province from 1961 to 20203 r(a)2源吉士0-21961 1966 1971 1976 1981 1986
16、 1991 1996 2001 2006 2011 20163C2-21961 1966 1971 1976 1981 1986 1991 1996 2001 2006 2011 2016气象与环境学报2.2辽宁省大豆生长季SPI和SPEI指数变化2.2.1时间变化根据辽宁省大豆产区分布及气候区划,在辽宁西部、北部、南部、中部和东部分别选取阜新站、康平站、普兰店站、海城站、新宾站作为5 个气候区域代表站。19 6 1一2 0 2 0 年阜新站、康平站、普兰店站、海城站和新宾站大豆生长季SPI和SPEI时间变化见y=0.0183x+20.668R=0.2899年份一降水量;一平均气温y=0.01
17、1x+0.355R=0.041y=-0.011x+0.324,R2=0.034,年份y=-0.010 x+0.320R=0.033-0.009x+0.268R=0.Q23年份32第39 卷23图3。由图3可知,5 个站点的SPI和SPEI变化均呈22减小趋势,表明各地均出现了干旱化趋势,其中阜新21站SPI和SPEI减小趋势通过了置信度为9 0%的显20著性检验。各站的SPEI加速递减表明,SPI和SPEI19指数均可监测干旱,SPEI的干旱监测结果更显著。近6 0 a,普兰店站在2 0 世纪7 0 年代中期到9 0 年代18末相对较为湿润,其他站点在6 0 一8 0 年代相对较为湿润,2 1
18、世纪以后干旱化趋势更为明显。2 1世纪之前,5 个站点SPI值低于SPEI值的年份较多,2 1世纪以后大部分年份的SPI值略高于SPEI值,也表明SPEI干旱监测更为敏感。J=-0.001x+0.0443 r(b)R=0.0002数10-1-21961 1966 1971 1976 1981 1986 1991 1996 2001 2006 2011 20163 r(d)20F-1-21961 1966 1971 1976 1981 1986 1991 1996 2001 2006 2011 2016y=-0.002x+0.050R=0.001Ay=-0.001k-0.R=Q.000,年份y=
19、-0.009x+0.290R*=0.027y=-0.008x+0.253R=0.021,年份0.005x+0.186%-2*R2=0.0091961 1966 1971 1976 1981 1986 1991 1996 2001 2006 2011 2016年份SPI;-SPEI图319 6 12 0 2 0 年阜新站(a)、康平站(b)、普兰店站(c)、海城站(d)和新宾站(e)大豆生长季SPI和SPEI时间变化Fig.3 Temporal variation of SPI and SPEI during soybean growing season in Fuxin(a),Kangping
20、(b),Pulandian(c),Haicheng(d)and Xinbin(e)stations from 1961 to 20202.2.22干旱频率19612020年辽宁省大豆生长季SPI和SPEI干旱发生频率见图4。由图4可知,近6 0 a辽宁省大豆生长季SPI和SPEI的干旱频率分别为2 3%40%和2 5%40%,两种指数均监测出不同程度的干旱发生,辽西地区均为干旱高发区,但 SPEI监测到的干旱高发区范围大于SPI。朝阳市、葫芦岛市、锦州市、阜新市,两种指数均通过显著性检验,表明这些区域干旱化程度明显加剧。另外,大连市SPEI通过显著性检验的区域比 SPI更广泛。因此,与 SPI
21、第4期相比,SPEI能更好地监测干旱及其严重程度。2.3大豆各生育阶段SPI和SPEI指数变化1961一2 0 2 0 年辽宁省大豆各生育期SPI、SPEI、(a)43NH姜珊等:基于SPI和SPEI指数的辽宁省大豆生长季干旱时空变化特征133降水量和气温变化及趋势检验见表2。由表2 可知,各站点两种干旱指数在大豆播种期一出苗期均呈上升趋势,在出苗期一开花期和开花期一结荚期均呈(b)43N41N39N119EFig.4 Frequency of drought based on SPI(a)and SPEI(b)during soybean growing season in Liaoning
22、Table 2Variation characteristics and trend test of SPI and SPEI indexes,precipitation and temperature项目站点阜新康平SPI倾向率/普兰店(10 a)-1海城新宾阜新康平SPEI倾向率/普兰店(10 a)-1海城新宾阜新康平降水变幅/普兰店(mm a-)海城新宾阜新41NSPI干旱频率/(%)23262730313313440121E123E图419 6 12 0 2 0 年辽宁省大豆各生育期SPI(a)和SPEI(b)干旱发生频率表2 19 6 12 0 2 0 年辽宁省大豆各发育期SPI、S
23、PEI、降水量和气温变化及趋势检验for each soybean developmental stage from 1961 to 2020播种期一出苗期0.0090.010*0.009*0.0050.0130.0000.0020.009*0.0010.0110.126*0.231*0.304*0.4000.2580.011SPEI干旱频率/(%)2526273039N131333440125E119Eprovince from 1961 to 2020出苗期一开花期-0.0050.007-0.017*-0.005-0.010-0.010*-0.010*-0.020-0.009-0.040-
24、0.049-0.388-1.048*-0.261-0.6720.007*121E开花期一结荚期-0.018*-0.004-0.013*-0.010-0.005-0.020*-0.009*-0.018*-0.018-0.008-0.6060.143-0.918*-0.616-0.1960.017*123E125E结荚期一成熟期-0.0010.0030.000-0.0010.004-0.0030.0010.0020.0040.0010.4660.5000.3360.2070.6330.018*康平温度变幅/普兰店(a-)海城新宾0.014*0.0000.0010.0000.021*0.025*0.
25、026*5*0.023*0.018*0.017*0.023*0.0130.021*0.022*0.026*0.019*注:*、*和*分别为通过置信度为9 0%、9 5%、9 9%的显著性检验。下降趋势,阜新站和海城站在结荚期一成熟期呈下降趋势,其余站点则相反。大豆播种期一出苗期,各站点SPI和SPEI缓慢上升,为缓慢湿润化趋势,SPI上升速度略大于SPEI,这与降水量和温度略有增加的趋势相关。大豆出苗期一开花期和开花期一结荚期,SPI和SPEI均呈下降趋势,各站点SPEI的下降134气象与环境学报第39 卷倾向率均大于SPI,阜新站和普兰店站SPI通过了置信度为9 0%的显著性检验,阜新站、普
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